Ovládanie bez senzorov: Ako systém odhaduje polohu motora
Mnoho ovládačov dokáže riadiť motor bez akýchkoľvek snímačov polohy: hovoríme o riadení bez snímača, alebo „sensorless“. Ovládač potom neustále vypočítava polohu rotora na základe údajov, ktoré už získava. Tento výpočet sa nazýva pozorovateľ. Tento návod vysvetľuje jeho princíp, výhody a obmedzenia.
Dôležité informácie
- Pri otáčaní generuje motor s permanentnými magnetmi napätie, ktorého polarita indikuje polohu rotora.
- Pozorovateľ dokáže zistiť túto hodnotu na základe aplikovanej napätia a nameraného prúdu, pričom odčíta hodnotu, ktorú spotrebúvajú odpor a indukčnosť vinutí.
- Potrebuje presné hodnoty odporu, indukčnosti a magnetického toku motora: tieto hodnoty poskytuje kalibrácia.
- Pri zastavení a pri veľmi nízkej rýchlosti je takmer nič, čo by sa dalo zmerať: to je hlavné obmedzenie systémov bez snímačov.
Princíp: počúvať dynamový generátor
Motor s permanentnými magnetmi, ktorý sa otáča, funguje ako generátor: vytvára napätie, známe ako protielektromotorická sila, ktoré je úmerné jeho otáčkam a orientované podľa polohy magnetov. Ak poznáme toto napätie, poznáme uhol rotora.
Ovládač nemôže túto hodnotu priamo zmerať, pretože sám napája motor. Avšak pozná napätie, ktoré aplikuje, a meria prúd. Aplikované napätie sa rozdelí do troch častí:
- pokles v odpore vinutí, úmerný prúdu;
- časť energie absorbovaná indukčnosťou, ktorá je úmerná zmenám prúdu;
- sila protielekromotorická, ktorú sa snažíme dosiahnuť.
Odstránením prvých dvoch hodnôt z aplikovaného napätia zostane tretia. Celá práca spočíva na pozorovateli.
Snímač prietoku
Bežná metóda vychádza z magnetického toku, a nie z napätia. Integráciou napätia v čase, zníženého o pokles napätia na rezistore, sa získa celkový magnetický tok, ktorý vnímajú vinutia. Po odpočítaní časti, ktorá je spôsobená prúdom (indukčnosť vynásobená prúdom), zostáva magnetický tok magnetov, ktorého smer udáva uhol rotora.
Integrácia má jednu nevýhodu: najmenší error sa kumuluje a ovplyvňuje výsledok. Moderné systémy to korigujú neustále tým, že vynucujú, aby amplitúda odhadovaného toku bola rovnaká ako známy tok magnetov. Práve preto detekcia motora meria tento tok.
Druhá úroveň, často reprezentovaná fázovým uzamýkacím obvodom (PLL), vyhladzuje získaný uhol a na jeho základe odvodzuje rýchlosť.
Čo ho oklame
- Odpor, ktorý sa mení s teplotou: Meď, keď sa zahreje, vykazuje vyšší odpor. Nesprávne známy odpor môže narušiť odhad, najmä pri nízkych rýchlostiach, kde je protielekromotorická sila slabá. Pozrite si náš sprievodca o zohrievaní elektromotora.
- `Nesprávne odmerená indukčnosť : chyba sa zvyšuje s prúdom a rýchlosťou zmeny prúdu.`
- `Magneti, ktoré slábnu, keď sa zohrejú: skutočný magnetický tok sa odlišuje od známeho magnetického toku.`
- `Nedokonalé merania: posunutie senzorov prúdu, skutočné napätie sa líši od požadovanej hodnoty kvôli oneskoreniu.`
Limit brzdenia
Keď je motor zastavený, nevytvára žiadne napätie: pozorovateľ nemá čo pozorovať. Pri veľmi nízkej rýchlosti je signál tak slabý, že chyby prevažujú. Preto môže motor bez senzora váhať alebo vibrovať pri štarte zaťažením, zatiaľ čo po rozbehnutí beží bez problémov.
Existujú tri možnosti:
- Spustenie v režime otvorenej slučky: Regulátor poháňa motor "naslepo", kým motor nedosiahne otáčky, pri ktorých prevzme kontrolu obsluhujúci systém
- Vstavané vysokofrekvenčné pulzy (High-frequency injection): Regulátor pridáva malý, rýchly signál a sleduje, ako sa indukčnosť motora mení v závislosti od uhla. To funguje pri zastavení, najmä u motorov s výraznou saliénciou, ako sú motory s vnútornými magnetmi;
- Snímače Hall pri štarte, a následne prechod na režim sledovania počas jazdy: toto je najbežnejšie riešenie u skútrov. Pozrite si náš návod o snímačoch polohy.
Prečo je systém bez senzorov tak obľúbený?
- Žiadne senzory, ktoré by bolo potrebné inštalovať, zapájať, chrániť pred vodou a teplom.
- Odhad, ktorý je často presnejší ako senzory Hall, už len vtedy, keď motor začne sa otáčať.
- Riešenie pre prípad, ak počas jazdy zlyhá senzor.
Často kladené otázky
Prečo firmware VESC ponúka viacero senzorov (pozorovateľov)?
Pretože žiadne nie je dokonalé vo všetkých ohľadoch. Niektoré lepšie odolávajú chybám v nastaveniach, iné lepšie reagujú na rýchle zmeny alebo fungujú pri nižších rýchlostiach. Výber závisí od motora a od toho, na aké účely sa zariadenie používa, a výsledok sa overuje pri jazde.
Môže motor, ktorý bol správne detekovaný, prestať fungovať správne bez snímača po dlhšej a náročnejšej prevádzke?
Áno: Pri zahriatí sa zvyšuje odpor vinutí a magnety mierne strácajú svoju silu. Rozdiel oproti hodnotám nameraným pri nízkej teplote môže ovplyvniť odhad výkonu pri nízkych rýchlostiach. Niektoré riadiace jednotky kompenzujú odpor v závislosti od teploty motora.
Je vhodný bezsenzorový systém pre skútre?
Pri jazde je to veľmi dobré. Pri rozbiehaní zo zastaveného stavu, najmä do kopca alebo s ťažším vodičom, sú senzory Hall stále veľmi užitočné. Kombinácia oboch je najlepšia voľba.